可调谐激光 3-1

激光纵向泵浦增益波导

纵向泵浦 轴向增益分布 会聚因子


exp p z
激光纵向泵浦增益波导



会聚镜焦距足够长 聚光介质掺杂浓度不很高 激活区圆柱体 增益沿纵向均匀分布 纵向小信号增益
G expg r z

径向小信号增益
2r 2 g0 g r exp 2 2 p
吸收光谱为宽带谱
泵浦波长适应性强，便于选择泵浦光源


存在三重态或受激态吸收等淬灭机制
激光泵浦技术

横向泵浦 纵向泵浦
离轴泵浦
共轴泵浦
脉冲泵浦源性能



波长 脉冲宽度 脉冲能量 光束质量 稳定性 价格 维护费用 操作难易
对泵浦光源的技术要求

泵浦光波长与增益介质吸收带的光谱匹配
增益波导高斯孔径随泵浦光斑而改变，具有自适应性



增益波导泵浦光功率大小可任意选择 增益波导高斯孔径自适应性利于腔内储能提取 可采用结构简单的平平腔
闪光灯泵浦技术

激光器泵浦
总体积庞大、总转换效率低、难获大输出能量

激光介质增益大小
掺杂浓度、受激发射截面、上能级寿命。。。
快放电闪光灯泵浦技术

电容C很小，电压Vc很大 需要K0很大

闪光灯阻抗参数
p L K 0 t 0.85 q E t
0.2 0.6
临界阻尼放电LC回路设计

提高充气压 采用大长径比闪光灯 多灯串联
闪光灯高功率放电的光谱特性

放电电压kV量级 快放电闪光灯电流密度100kA/cm2量级 灯内等离子体具有极高色温 极宽发射谱
20世纪80年代 LD室温运转
体积小 电光效率高 输出稳定性好


激光器的小型化、全固化
激光二极管
Semiconductor Optical Devices
M. Fukuda
激光二极管的选择


注入电荷通过半导体p-n结发生电子与空穴对 复合发光 LD辐射波长特性 基质材料组分 温度 大功率LD阵列 LD线阵 LD面阵（散热）


可调谐激光器要求放电脉冲上升时间10-6s量级 需要解决的技术问题 放电稳定性 电光转换效率 使用寿命
快放电闪光灯的时间特性

放电电路：LC电路
降低放电损耗 小回路电阻 大储能 大电容 电感 抑制放电上升速度

回路放电微分方程（无回路电阻）
1 di 1 i 2 L Ri K 0 i idt VC dt C 0

泵浦转换效率
激光增益介质储能与闪光灯放电电能之比

提高闪光灯放电功率密度 提高闪光灯充气压
增大闪光灯触发和预燃难度源自文库

提高光谱重叠率
控制闪光灯色温控制

采用预燃技术 选择设计高效、可靠的会聚器
激光二极管泵浦技术

20世纪60年代发光二极管（LED）、激光二极 管（LD）泵浦
光强小、低温


泵浦波长落在吸收谱范围内 选择对增益介质有最大吸收截面的波长

泵浦光脉宽与增益介质上能级寿命的匹配
泵浦脉冲上升时间小于等于上能级寿命

泵浦光光强与振荡阈值和抗损伤阈值
泵浦光斑 高功率密度 小增益体积 脉宽越窄损伤阈值越低 吸收饱和 热效应 效率降低
对泵浦光源的技术要求

激光光束质量与泵浦形式
纵向泵浦，泵浦光束质量决定输出光束质量 横向泵浦，介质截面横向不均匀性及腔轴方向纵向不均 匀性

放电电极退化与溅射
电极发射性能下降 灯壁对辐射透过降低

闪光灯石英管壁老化和破损
污染物腐蚀 热应力 声冲击波

所充气体污染或漏气
电极密封不好 影响等离子体触发和预燃
快放电闪光灯寿命

闪光灯寿命定义
发光效率下降到一半的有效闪光次数

闪光灯使用寿命经验公式(无预燃)
损伤阈值 寿命 回路放电能量
快放电闪光灯的时间特性

放电回路阻尼因子
K0 VC Z 0
Z0 L C

<0.8欠阻尼放电
>0.8过阻尼放电 ≈0.8临界阻尼放电
周期性极性改变，转换效率低

无振荡 电流峰值下降转换效率低

无振荡，高转换效率
临界阻尼放电LC回路设计

放电回路与闪光灯间阻抗匹配

K0 VC Z 0

可调谐激光器
闪光灯放电能量 放电回路时间常数
CVC2 E0 2
T LC
低感放电电路和预燃技术


放电初期电感较大 阻碍放电脉冲形成 加宽放电脉冲宽度 预燃技术
提高输出能量 3倍 缩短脉冲上升时间 1倍 增加闪光灯寿命 105
小电流预燃技术



预燃电弧细 灯壁灯芯间存在温度梯度 灯芯气体密度低、导电率高 预燃电弧向灯芯集中 电弧难于扩大
可调谐激光器泵浦技术
本节内容
可调谐激光泵浦源特点
增益波导效应
快放电闪光灯泵浦技术
会聚器的优化
LD泵浦技术
光泵浦技术
光泵浦技术
闪光灯泵浦 固体激光器 亚毫秒量级 与增益介质上能 级寿命匹配
激光泵浦 连续激光泵浦 脉冲激光泵浦 光学参量振荡 激光二极管
可调谐激光器泵浦特点

激光介质激光上能级寿命较短

激光纵向泵浦增益波导

通过介质的激光为高斯分布
1 1 i qz R 2

Ricatti方程
1 d 1 2 0 q 2 dz q
2 k2 k
1

复数传播常数
g r k r i 0 l 2n
激光纵向泵浦增益波导
1 sin l n qz2 qz1 n sin l cosl qz1 cosl

晶格内部存在缺陷
内部损伤或光吸收
激光二极管的寿命


LD的损坏、老化表现为效率明显下降 增大注入电流 LD局部熔化损伤 控制LD电流
对噪声和瞬态变化进行滤波

光学耦合时
注意防止后向反馈耦合

采取冷却措施
LD泵浦技术的优 点

总体转换效率高
LD本身电光效率高 窄带谱发射，一定可调谐性



漫反射式
多灯串联会聚器的优化设计

镜反射会聚器
多灯串联会聚器的优化设计

漫反射会聚器
多灯串联会聚器的优化设计



高辐射效率 高吸收效率（接近黑体辐射） 吸收会聚器反射光 灯内等离子体温度升高，发射谱蓝移 闪光灯发光不稳定性 闪光灯互相隔离 收集后向发射光
提高泵浦转换效率的途径
波长适应性强 有效光谱重叠差，泵浦效率低 短波长辐射促使形成色心或漂白导致工作物质退化 长波长辐射形成热致折射率梯度，导致光束质量变坏


发射谱随时间变化 近似黑体辐射 高色温等离子体对泵浦光的屏障
闪光灯高功率放电的光谱特性
低感放电电路和预燃技术


输入充电能量 放电脉冲宽度 t=3.2T 电容 电感
预脉冲预燃技术

大电流DC预燃技术
消耗电能

预脉冲预燃技术 混合预燃技术
DC预燃+预脉冲预燃

预燃效果
大体积放电等离子体 大电弧截面
短脉冲快放电电路特点

回路电感低、放电电容小
元件（闪光灯）电感尽量小 预燃降低电弧电感 回路连接线截面大、引线短

放电电压、放电电流高
电容小、耐高压
快放电闪光灯寿命

工作可靠性稳定性及便于操作
固体激光器：操作简单、工作可靠、便于维护 气体激光器：准连续、高重频

价格及使用寿命与维护费用
购买价格 日常维护费用
激光泵浦的增益波导效应

得到大尺寸TEM00模高斯光束
变折射率高斯反射镜输出耦合：工艺复杂、价格昂贵 增益波导效应(gain guiding)

增益波导
由被激励激光介质中细而长增益体积所形成的一种光 波导结构 纵向泵浦 横向泵浦
8.5

闪光灯损伤阈值
Ex ld t
快放电闪光灯取大的长径比
～30
快放电闪光灯寿命

采用预燃 冷却
电极冷却 玻璃壳冷却 气体冷却 液体冷却
会聚器的优化设计


收集闪光灯发光 均匀照射激光介质 大而均匀的增益 镜反射式（灯轴、激光介质轴）
焦上配置：好成像质量、结构大 焦外配置：结构紧凑、高会聚效率、均匀性差

热负荷小、无紫外辐射 使用寿命长 稳定性、可靠性好
功率稳定性好 光束指向稳定性好 全固化、体积小、易安装 无高压，安全
LD泵浦技术的不足


LD辐射区小 发散角大、耦合困难 非圆形光束截面、耦合困难 不适于高峰值功率状态下工作
适合储能调Q运转
qz1 A B qz 2 qz1 C D
1 l n 1
l 1
A C B D i
g 0 2 p

激活介质可看成具有半径 g g 的高斯孔径 0 《激光光学》 吕百达
p
增益波导与高斯型变反射率腔镜比较

变反射率腔镜非稳腔高斯模受腔放大率限制
激光二极管泵浦与耦合

横向泵浦 纵向泵浦

泵浦源光束质量 输出功率
激光二极管泵浦与耦合

单条LD的输出

光束变换
激光二极管泵浦与耦合

光束变换器

圆形光束
激光二极管的寿命

商用LD室温寿命
室温条件下，LD失效平均时间

LD波导反射镜或表面退化
效率下降或吸收损耗增加

LD接触阻抗增大
电阻损耗或热损耗增加